† 교신저자, 현대로템(주), 기술연구소 전장품개발팀, 주임연구원 E-mail : [email protected]
* 현대로템(주), 기술연구소 전장품개발팀
철도차량용 전폐형 견인전동기 개발 및 시험
Total Enclosed Type Traction Motor Development and Test for Rolling Stock
김정철† 김봉철* 박영호* 한정수*
Jung-Chul Kim Bong-Chul Kim Yeong-Ho Park Jeong-Soo Han
ABSTRACT
Cooling type of traction motor for EMU in domestic is mostly an open type. Its system is a cooling air entered through air inlet cool down a traction motor and an hot air by traction motor get out air outlet. It is easy to cool it down but hard to maintain it.
To improve an ability of maintenance, a total enclosed type traction motor is already developed and used in abroad, not an opne type. So we developed a total enclosed type traction motor which will be used in domestic and abroad EMU. We tried to reduce a weight and a size compared with the abroad one.
In contrast with open type traction motors which cool off inside of motors, total enclosed motors cool down by cooling exterior frame of motors. In this case, cooling fins or air fan blowing to the exterior of motors are applied. The total enclosed type traction motor developed by us have two housing to block the foreign substance into inner of a motor and have two cooling fan to easy to reduce a heat happened at a coil. In this paper, design of a cooling structure of the total enclosed traction motor developed twice and performance verification through test will be discussed. 1. 서론 국내 전동차용 견인전동기의 냉각 구조는 대부분 개방형 구조로 냉각공기가 흡입구를 통해 전동기를 냉각시키고 배출구를 통해 가열된 공기가 배출되는 구조로 되어 있다. 이러한 개방형 견인전동기는 냉 각측면에서 유리하지만 유지보수 측면에서 다소 불리한 구조이다. 간혹 냉각공기와 함께 유입되는 이물 질로 인해 견인전동기 내부에 소손이 발생되기 때문이다. 해외에서는 이러한 유지보수성을 향상시키기 위해 개방형 구조가 아닌 전폐형 구조의 견인전동기가 개발 운행되고 있으나 국내에는 아직까지 이러한 적용 사례가 없었다. 이에 국내형 전동차에 적용할 전 폐형 견인전동기를 개발하였으며 기존 해외 전폐형 견인전동기에 비해 중량 및 사이즈를 최소화 하는데 중점을 두어 개발하였다. 전폐형 냉각구조는 개방형 냉각구조와 달리 완전 밀폐형으로 냉각공기가 내부로 유입되지 않고 발생 하는 열을 프레임에 닿는 외부공기에 의해서 냉각되는 구조이다. 이러한 냉각구조는 프레임에 냉각핀을 붙여 발생하는 열을 식혀 주거나, 외부 팬으로 프레임에 냉각공기를 불어주어 냉각시키는 방법이 주로 적용된다. 본 논문에서는 2가지 모델로 개발한 전폐형 견인전동기의 냉각구조 설계와 시험을 통한 성능검증에 대해 소개하고자 한다.
2. 본론 2.1. 설 계 전폐형 견인전동기는 현재 국내에서 운행되고 있는 전동차에 설치되도록 인터페이스를 맞추어 설계되 었다. 전폐형 견인전동기 특징으로 인해 사이즈 및 중량이 증가되는 것을 방지하기 위하여 알루미늄 하 우징을 적용하였으며 냉각 성능을 최대화하기 위하여 외부공기를 프레임에 불어 넣어주는 외부 팬과 내 부공기를 순환하기 위한 내부 팬 그리고 코어를 고정하기 위한 프레임 채널에 냉각핀을 적용하여 냉각 면적을 증가 시켰다. 설계는 국내 및 해외 수요처 대응을 위해 DC 1500V, 750V용 2가지 모델로 개발 되었다. 설계모델에 대한 상세 사양은 아래 표에서 보는 것과 같다. 표 1. 전폐형 견인전동기 설계 내역 DC 1500V용 DC 750V용 형 식 3상 농형 유도전동기 3상 농형 유도전동기 연속정격 170kW, 1100V, 110A 175kW, 550V, 226A 1시간 정격 190kW, 1100V, 125A 195kW, 550V, 242A 극 수 4 4 주파수 75 75 정격속도 2205 2200 고정자 외경(mm) 535 535 회전자 외경(mm) 317 297 적층길이(mm) (End plate포함) 250 260 중량(kg) 630 630 3. 설계 및 해석 3.1.전폐형 견인전동기 냉각구조 전폐형 전동기는 아래 그림에서 보는 것과 같이 외부의 공기가 내부로 유입되지 않고 외부 통풍홀을 통해 프레임만을 냉각 시킨다. 또한 내부는 가열된 공기가 내부 팬에 의해 고정자의 내부 통풍홀과 회 전자 통풍홀을 통해서만 순환되는 구조로 외부와 내부가 완전 분리되어 있다. 이러한 구조적 특징으로 인해 내부열이 외부로 쉽게 빠져 나가지 못해 개방형 냉각 구조에 비해 포화되는 온도가 높다. 따라서 이러한 구조적 특징을 보완하기 위해 그림 2와 같이, 전동기 내외부에 공기 순환 통로를 2중으로 만들 고 전동기 표면에 냉각핀을 부착하여 외부 접촉 면적을 늘려 냉각 효과를 최대화 하였다. 볼 베어링 롤러 베어링 외부 팬 내부 팬 회전자 축 고정자 회전자 볼 베어링 롤러 베어링 외부 팬 내부 팬 회전자 축 고정자 회전자 그림 1. 전폐형 전동기의 냉각 공기 순환 개념도
그림 5. Fluent를 이용한 DC 1500V용 모델 열유동 해석 결과 3.2. DC 1500V용 모델 2가지 모델 중 DC 1500V용 모델은 그림 2.에서 보는 것과 같이 고정자 외측에 통풍홀이 1열로 되어 있고 외부 통풍홀과 내부 통부홀(붉은 색 점선 부분)이 같이 존재하는 형상을 가지고 있다. 또한 내부 통풍홀이 지나가는 곳에 냉각핀을 부착하여 냉각효율을 높였다. 그림 2. DC 1500V용 전폐형 견인전동기 이렇게 설계된 모델을 열유동 해석을 실시하였으며 해석모델 및 결과는 아래 그림에서 보는 것과 같 다. 그림 3. DC 1500V용 모델 형상 그림 4. 열유동 해석을 위한 간략화 모델 그림 5는 열유동 해석을 통해 얻은 결과로 외부 발열온도를 그림 6의 시험결과 값과 비교한 결과 유 사한 결과를 나타내고 있다.
그림 6. DC 1500V용 모델 시험결과 그림 7은 해석결과 값과 시험결과 값을 비교한 것으로 코일의 경우 5~6%의 오차를 보였지만 통풍홀 의 경우 해석을 위해 모델을 간략화 하면서 코일 부분을 통으로 하여 내부 대류가 원할치 않아 편차가 코일에 비해 크게 나타났다. 202℃ 200℃ 202℃ 200℃ 항목 방향 Exp CFD 차이 오차 코일 ODE 190 202 12 6% 코일 DE 210 200 -10 -5% 내부통풍홀ODE 167 143 -24 -14% 내부통풍홀 DE 166 143 -23 -14% 요약 -11.25 -7% 항목 방향 Exp CFD 차이 오차 코일 ODE 190 202 12 6% 코일 DE 210 200 -10 -5% 내부통풍홀ODE 167 143 -24 -14% 내부통풍홀 DE 166 143 -23 -14% 요약 -11.25 -7% 그림 7. 해석결과와 시험결과의 비교 3.3. DC 750V용 모델 DC 1500V용 모델의 해석 및 시험결과를 바탕으로 개선사항을 반영하여 설계한 DC 750V용 모델은 아래 그림 8과 같다. 그림에서 보는 것과 같이 내외부 통풍홀을 완전 분리 하여 2열 구조로 설계하였 다. 그림 8. DC 750V용 전폐형 견인전동기 그림 9. DC 750V용 모델 시험결과
시험결과는 위 그림 9에서 보는 것과 같이 DC 1500V 모델에 비해 프레임과 냉각핀의 온도는 조금 낮게 나타났으며 2중으로 제작된 냉각 통풍홀로 인해 열발산 효율이 개선된 것으로 해석되었다. 4. 시험결과 분석 DC 1500V모델의 시험결과 및 해석결과를 바탕으로 프레임에 불어주는 냉각 공기의 양을 증가시키기 위해 외부 냉각 팬의 블레이드 사이즈를 증대하고 공기의 순환을 원활하게 하기 위해 내부 통풍홀과 외 부 통풍홀을 2중구조로 반경이 다르게 분리하여 원주방향으로 뚫었다. 또한 코일의 단면적을 키워 발열 의 원인이 되는 전류밀도를 낮추었다. 이렇게 개선 DC 750V모델과 DC 1500V모델의 시험결과를 비교 하면 아래와 같다. 표 2. 전폐형 견인전동기 온도시험 결과 비교 항목 DC 1500V모델 DC 750V모델 비고 코일 온도[℃] 210(180.3K) 201(183K) 프레임 온도[℃] 130 125.7 냉각핀의 온도[℃] 126 101.5 베어링 포켓 온도[℃] 111.6 99.5 AL 하우징 온도[℃] 102 90.3 5. 결 론 이상 결과에서 보는 것과 같이 전폐형 견인전동기 시험결과 DC 750V모델과 DC 1500V모델 모두 고 정자 코일이 온도상승한계 210K(전폐형의 경우 개방형보다 10K의 온도를 더함) 이내로 설계 절연등급 200Class를 만족하고 있다. 향후 국내 및 해외에서 운행 중인 EMU에 적합한 200kW이상 전폐형 견인전동기를 개발할 계획이다. 참고문헌 1. 박민호, 유도기기, 동명사, 2판, 2003. 2. 고속전철 견인전동기 개발 1단계 보고서, 건설교통부․산업자원부․과학기술부, pp. 61-68, 1999 3. 서장호, 이상엽, 정현교, 동력분산형 고속 전철의 견인전동기 냉각 시스템 해석 및 설계 기술 연구, 한국철도학회 춘계학술대회 논문집, 2008
4. Mitsuaki Hoshi and et al, First 100% Domestic Low Floor Tram, Mitsubishi Heavy Industries Technical Review Vol. 43 No.1, 2006
5. 김정철, 김래은, 박영호, 김철호 저상트램용 전폐형 견인전동기 냉각 구조 설계, 한국철도학회 추계학 술대회 논문집, 2010
